OFDM系统中自适应调制和功率分配方案

王艳岭,达新宇

(空军工程大学电讯工程学院,陕西西安710077)

0 引言

多载波的OFDM调制技术可有效地处理Ka频段信道干扰,提高系统的传输速率。为了进一步发挥OFDM的技术优势,文献[2]提出一种子带选择方法;文献[3]在文献[2]的基础上改进了子带的选择方法准则,并获得了相对较好的系统频谱利用率。文献[4]运用基于子带的对偶分解方法求解OFDM系统的资源分配问题,但没有充分利用分解方法所隐含的分布式结构的优点,并且具有较大的反馈开销。文献[5]基于不等错误保护建立了一种最小功率AM-OFDM系统,该系统实现了最小发射功率,但是对于功率一定的系统,该方法不能达到最优的频谱效率。

下面根据目标误比特率的要求,分析了子带信噪比和子带调制方式的关系,通过初始等功率分配方法,迭代运算出最优的有效子带个数、调制方案和功率分配的比例关系。由于有效子带个数的确定,使得该算法只需2～3次迭代即可得出最优的运算结果,大大简化了算法的运算量,并且仿真结果证明了该算法的有效性。

1 系统模型

1.1 自适应OFDM的系统模型

基于自适应调制和功率分配算法的OFDM系统模型如图1所示。

图1 自适应OFDM的系统模型

发送端经串并转换后根据接收端的信道估计信息,按照自适应调制和功率分配算法控制各个子带的调制方式和发送功率。经过IFFT、加入保护间隔(CP)、并串转化后发送到Ka频段的移动卫星信道,各个子带调制方式也作为信令信息同时发送。接收端经串并转换、去除保护间隔、FFT后,根据自适应调制的信令信息对各个子带做相应的解调,然后经并串转换后输出。

1.2 OFDM子带的资源分配准则

多径效应的影响使得OFDM系统中的不同子带具有不同的信道增益,因此可根据子带的信道增益的不同合理分配系统资源以提高系统的频谱利用率。目前OFDM子带资源分配准则主要有MA(Margin Adaptive)准则和RA(Rate Adaptive)准则[6]2种。

1.2.1 MA准则

在保证一定吞吐量大小的前提下最小化整个系统的功率损耗。其数学表示如下:

1.2.2 RA准则

在给定的功率约束条件下最大化系统的吞吐量。其数学表示为:

式中,N为子带的个数;Pi、Ri和BERi分别为第i个子带的发送功率、传输速率和误比特率;Rtarget、BERtarget和Ptarget分别为系统的目标数据速率、误比特率和发射功率。

1.3 OFDM子带的自适应调制

子带的信噪比可定义为:

式中,N0为噪声功率。由于不同进制的MPSK和MQAM信号采用相干解调时,系统误比特率分别为:

所以,当信噪比确定时,选择不同调制阶数的MPSK和MQAM,会有不同的误码特性。发送端可根据各个子带的信噪比来自适应选择不同的调制方式和调制阶数,从而使系统达到最小的误码特性。

2 自适应调制和功率分配算法

OFDM系统的频谱效率为[7]:

可见,当某一子带信噪比较低时,其对系统的频谱效率贡献很小。关闭该子带,将其功率分配给其他具有较好信道条件的子带,将有利于提高系统的频谱效率。由于子带的信道增益不同,等功率分配不是最优的分配方案,其会造成不必要的浪费。所以,这里提出的自适应调制和功率分配算法可根据子带信道特性的不同按比例分配各个子带的功率,并根据子带的发射功率和信道增益选择相应的调制方式。子带调制方式的确定又反作用于其发射功率的大小。

具体算法如下:子带的初始个数为 N,有效个数为 ~N,~N的初始值为N。目标误比特率为BERtarget,系统的总功率为 PT,第 i个子带的信道增益、功率、误比特率和信噪比依次为:hi、Pi、BERi和SNRi,可选的调制方式为 BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM五种,用M={1,2,3,4,5}表示。

第1步:分配各个子带的初始功率

第2步:计算各个子带的调制方式

令 r0=min{SNRi,i∈(1,2,…,N)},

r5=max{SNRi,i∈(1,2,…,N)},将子带的信噪比均匀划分为5个子集,即[r0,r1),[r1,r2),…,[r4,r5]。每个信噪比的子集对应于一种调制方式,根据信噪比的所属子集,选择各个子带的调制方式Mi,Mi∈M 。

第3步:确定子带的有效个数 ~N

根据各个子带的调制方式 Mi,利用式(1)和式(2)计算出各自的误比特率BERi。

重新计算误比特率,进行上述比较。else 关闭该子带,即

第4步:计算各子带的发射功率

第5步:分配各个子带功率

第6步:迭代循环计算

跳回第2步再次迭代计算

else 运算结束,此时子带的有效个数为 ~N,第i个子带的调制方式为Mi,发射功率为Pi。

该算法流程图如图2所示。

图2 算法流程

OFDM子带自适应调制和功率分配算法关闭了低信噪比情况下不作为的子带,并将其功率按比例分发给其他子带,提高了低信噪比下的系统性能。该算法的复杂度较低,由于第3步运算确定了有效的子带个数,使得该算法只需2～3次迭代即可得出最优的运算结果。从而也简化了算法的运算量。

3 仿真分析

假设系统具有较好的同步和较准确的信道估计,不存在载波间干扰(ICI)和其他因素的影响。选择子带的初始个数为128,系统的目标误比特率为BERtarget=10-5,可选的调制方式为 BPSK、QPSK、16QAM、64QAM 和256QAM,不失一般性,令Ka频段移动卫星信道的等效频域复噪声的功率为1。

图3给出了不同迭代次数的自适应调制和功率分配算法和等功率分配算法的频谱效率的仿真比较。当信噪比较低时,自适应调制和功率分配算法较等功率分配算法能获得更高的频谱效率。在高信噪比时,2种算法的频谱效率差别不大。另外,对于不同迭代次数的自适应调制和功率分配算法,2次迭代比1次迭代能更好地提高系统的频谱效率,而3次迭代和2次迭代的频谱效率几乎相等,这是因为有效子带数目的确定使得算法的迭代要求降低,在迭代2次时即可达到最优的分配方案。

图3 频谱效率仿真比较

图4给出了目标误比特率BERtarget=10-5和BERtarget=10-4下的频谱效率仿真比较。

图4 不同目标误比特率的频谱效率仿真比较

降低目标误比特率等同于降低门限,使得有效子带数增加,同时也改变了初始调制选择方案的结构,从而增加了系统的频谱效率。

4 结束语

自适应调制和功率分配算法可根据目标误比特率的大小、各子带的信道增益和等功率分配来确定初始有效的子带数,各子带根据其信噪比的大小选择不同的调制方式,在满足目标误比特率下,迭代计算出最优的有效子带数目和功率分配的最优比例关系,并将关闭的子带功率按比例分配给其他高信噪比的子带,从而得出最优的分配方案。并且该算法只需迭代2～3次即可得出最优分配结果,大大简化了算法的运算量。仿真结果表明,该算法可提高中低信噪比下的系统频谱效率。

[1]黄 和,王东进,刘发林.Ka波段移动卫星信道的综合模型及误码率分析[J].中国科学技术大学学报,2005,35(3):346-352.

[2]SHIN Y S,MUN C,YOOK J G,et al.Capacity Maximising Efficient Adaptive Subcarrier Selection in OFDM with Limited Feedback[J].Electronics Letters,2006,42(7):430-431.

[3]史锋峰,赵春明.一种提高低信噪比OFDM系统频谱效率的资源分配算法[J].东南大学学报(自然科学版),2009,39(4):662-666.

[4]SEONG K,MOHSENI M,CIOFFI J M.Optimal Resource Allocation forOFD MA Downlink Systems[C].IEEE International Symposium on Information Theory,2006:1394-1398.

[5]张艳玲,孙献璞,李建东.实现不等错误保护的最小发射功率AM-OFDM系统[J].电子学报,2008,36(7):1314-1318.

[6]侯利明,林孝康.基于OFD M技术的多用户子带分配算法[J].清华大学学报(自然科学版),2009,49(4):528-530.

[7]李晓辉,刘乃安,易克初,等.多用户OFDM系统中的联合子载波和功率分配算法[J].西安电子科技大学学报(自然科学版),2006,33(3):366-370.